汽車類 CAN 收發(fā)器 TCAN1051-Q1 系列：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在汽車電子和工業(yè)控制領(lǐng)域，CAN（Controller Area Network）總線憑借其高可靠性、實(shí)時(shí)性和抗干擾能力，成為了數(shù)據(jù)通信的主流選擇。而 CAN 收發(fā)器作為 CAN 總線與微控制器之間的橋梁，其性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸效率。今天，我們就來詳細(xì)探討一下德州儀器（TI）推出的 TCAN1051-Q1 系列 CAN 收發(fā)器。

文件下載：tcan1051hg-q1.pdf

一、產(chǎn)品概述

TCAN1051-Q1 系列是一系列具有 CAN FD（Flexible Data Rate）和故障保護(hù)功能的汽車類 CAN 收發(fā)器，包括 TCAN1051-Q1、TCAN1051V-Q1、TCAN1051H-Q1 等多種型號。這些器件符合 AEC Q100 標(biāo)準(zhǔn)，適用于汽車應(yīng)用，能夠滿足嚴(yán)苛的工作環(huán)境要求。

二、特性亮點(diǎn)

（一）標(biāo)準(zhǔn)兼容性

該系列收發(fā)器符合 ISO 11898-2:2016 和 ISO 11898-5:2007 物理層標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還提供功能安全型設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了用于功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)文檔，有助于構(gòu)建更加可靠的汽車電子系統(tǒng)。

（二）數(shù)據(jù)速率與性能

所有器件均支持經(jīng)典 CAN 和 2Mbps CAN FD，其中“G”選項(xiàng)更是支持高達(dá) 5Mbps 的數(shù)據(jù)速率。此外，它具有較短的對稱傳播延遲時(shí)間和快速循環(huán)次數(shù)，能夠增加時(shí)序裕量，在有負(fù)載的 CAN 網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率，滿足了現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

（三）EMC 性能

支持 SAE J2962-2 和 IEC 62228-3 標(biāo)準(zhǔn)，在最高 500kbps 的數(shù)據(jù)速率下無需共模扼流圈，有效降低了系統(tǒng)成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

（四）電源與 I/O 兼容性

I/O 電壓范圍支持 3.3V 和 5V MCU，未供電時(shí)具有理想無源行為，總線和邏輯引腳處于高阻態(tài)，無負(fù)載，并且在總線和 RXD 輸出上實(shí)現(xiàn)上電/斷電無干擾運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（五）保護(hù)特性

• ESD 保護(hù)：IEC ESD 保護(hù)高達(dá) ±15kV，有效防止靜電對器件的損害。
• 總線故障保護(hù)：非 H 型號的總線故障保護(hù)為 ±58V，H 型號則達(dá)到 ±70V，增強(qiáng)了器件在惡劣環(huán)境下的可靠性。
• 電源欠壓保護(hù)：$V{CC}$ 和 $V{IO}$（僅限 V 型號）電源終端具有欠壓保護(hù)功能，確保器件在電源異常時(shí)能夠正常工作。
• 驅(qū)動(dòng)器顯性超時(shí)（TXD DTO）：數(shù)據(jù)速率低至 10kbps 時(shí)仍能正常工作，防止因 TXD 長時(shí)間保持顯性狀態(tài)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信阻塞。
• 熱關(guān)斷保護(hù)（TSD）：當(dāng)器件結(jié)溫超過設(shè)定閾值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉 CAN 驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)器件不受過熱損壞。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

TCAN1051-Q1 系列收發(fā)器廣泛應(yīng)用于汽車和運(yùn)輸領(lǐng)域，適用于所有高負(fù)載 CAN 網(wǎng)絡(luò)，如重型機(jī)械的 ISOBUS 應(yīng)用（ISO 11783）等。其高可靠性和高性能能夠滿足這些應(yīng)用對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膰?yán)格要求。

四、器件信息與引腳功能

（一）封裝形式

該系列器件采用 SOIC (8) 封裝和無引線 VSON (8) 封裝（3.0mm x 3.0mm），具有改進(jìn)的自動(dòng)光學(xué)檢查（AOI）功能，方便生產(chǎn)制造和質(zhì)量檢測。

（二）引腳功能

不同型號的引腳功能略有差異，例如引腳 5 在不含 V 后綴的器件上為無連接（NC）引腳，在包含 V 后綴的器件上為用于 I/O 電平轉(zhuǎn)換的 $V{IO}$ 引腳；RXD 邏輯輸出在不含“V”后綴的器件上驅(qū)動(dòng)為 $V{CC}$，而在包含“V”后綴的器件上驅(qū)動(dòng)為 $V_{IO}$。詳細(xì)的引腳功能可參考產(chǎn)品文檔中的引腳功能表。

五、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）CAN 總線設(shè)計(jì)

• 總線負(fù)載與長度：ISO 11898-2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最大總線長度為 40m 和最大 stub 長度為 0.3m，但通過合理設(shè)計(jì)，用戶可以使用更長的電纜和更多的節(jié)點(diǎn)。TCAN1051 系列收發(fā)器具有高輸入阻抗，理論上支持多達(dá) 100 個(gè)收發(fā)器在單總線段上工作，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要考慮信號損失、寄生負(fù)載等因素，合理控制節(jié)點(diǎn)數(shù)量和總線長度。
• CAN 終端：ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)要求使用與電纜特性阻抗相等的電阻（通常為 120Ω）來終端總線兩端，以防止信號反射。同時(shí)，應(yīng)盡量縮短連接節(jié)點(diǎn)到總線的未終端支線（stubs），減少信號反射。終端可以位于電纜上或節(jié)點(diǎn)中，但需要確保網(wǎng)絡(luò)中始終存在兩個(gè)終端。

（二）電源設(shè)計(jì)

器件設(shè)計(jì)工作在 $V{CC}$ 輸入電源電壓范圍為 4.5V 至 5.5V，部分器件的 $V{IO}$ 輸出電平轉(zhuǎn)換電源輸入范圍為 3V 至 5.5V。為了確保電源的穩(wěn)定性，應(yīng)在 CAN 收發(fā)器的主 $V{CC}$ 電源輸出附近放置一個(gè)大容量電容（通常為 4.7μF），并在器件的 $V{CC}$ 和 $V_{IO}$ 電源終端附近放置一個(gè)旁路電容（通常為 0.1μF）。

（三）布局設(shè)計(jì)

• 保護(hù)與濾波電路：應(yīng)將保護(hù)和濾波電路（如 TVS 二極管和總線濾波電容）盡可能靠近總線連接器放置，以防止瞬態(tài)、ESD 和噪聲進(jìn)入 PCB 和系統(tǒng)。
• 電源和接地平面：使用電源（$V_{CC}$）和接地平面提供低電感路徑，減少高頻干擾。
• 旁路和大容量電容：旁路和大容量電容應(yīng)盡可能靠近收發(fā)器的電源終端放置，以提高電源的穩(wěn)定性。

六、總結(jié)

TCAN1051-Q1 系列 CAN 收發(fā)器以其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和良好的兼容性，為汽車和工業(yè)控制領(lǐng)域的 CAN 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可靠的解決方案。電子工程師在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮器件的特性和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，合理選擇器件和進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對 CAN 收發(fā)器的性能和功能要求也在不斷提高，我們期待德州儀器能夠推出更多優(yōu)秀的產(chǎn)品。

在實(shí)際應(yīng)用中，你是否遇到過 CAN 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的難題？你是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。